基于組態(tài)王的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐美英 蘇學(xué)祥 葛浩 谷勝偉 李玲純

【摘? ?要】? ?混凝土在各類基建項(xiàng)目中是最基本的需求，而它的各種指標(biāo)直接影響著工程的質(zhì)量和基建成本。主要利用組態(tài)王設(shè)計(jì)了一種混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)混凝土生產(chǎn)中的配料、輸送、攪拌、卸料等各個(gè)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，同時(shí)利用組態(tài)王的畫面顯示功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而提升混凝土生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

【關(guān)鍵詞】? ?混凝土攪拌站;配料;組態(tài)王

Design of Control System of Concrete Mixing Plant Based on KingView

Ou Meiying? Su xuexiang? Ge Hao? Gu Shengwei? Li Lingchun

（Chuzhou University， Anhui Chuzhou 239000）

【Abstract】 Concrete is the most basic demand in all kinds of infrastructure projects， and its various indicators directly affect the quality of the project and the cost of infrastructure construction. In this paper， a concrete batching plant control system is designed based on KingView. The system can realize the automatic control of batching， conveying， mixing， unloading and other processes in concrete production. At the same time， using the screen display function of Kingview， the real-time monitoring of system operation status is realized， and the quality and efficiency of concrete production are improved.

【Keyword】 Concrete mixing plant; Batching; KingView

〔中圖分類號(hào)〕? TP278 ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2021）01- 0000 - 00

0?   ?引言

在各類基建項(xiàng)目中，混凝土得到了普遍的應(yīng)用，產(chǎn)值規(guī)模迅速膨脹，但它的各種指標(biāo)影響著工程的質(zhì)量和成本[1]。最初，混凝土生產(chǎn)是基于人工的，即施工人員將制作混凝土的原材料依次在磅秤上稱量，接著將各種準(zhǔn)備好的原料放入攪拌機(jī)中攪拌，攪拌均勻后才能用于施工。其生產(chǎn)所需原材料的重量能否按照事先確定的比例在較大程度上取決于計(jì)量施工人員的技術(shù)水平以及其的責(zé)任感。效率不高以及計(jì)量準(zhǔn)確度方面存在誤差是這種生產(chǎn)方式的主要缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)對(duì)建筑物的質(zhì)量和成本產(chǎn)生了很大的影響。

為了在滿足施工所需混凝土的各種技術(shù)要求下進(jìn)一步的提質(zhì)增效，集中式的混凝土攪拌站應(yīng)運(yùn)而生。攪拌站是對(duì)混凝土的原材料按照一定的比例進(jìn)行配比，再攪拌混合的場(chǎng)所。這種集中式的混凝土生產(chǎn)方式，為在混凝土攪拌進(jìn)行自動(dòng)化、大規(guī)模生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)條件?；炷恋淖詣?dòng)化生產(chǎn)需要一個(gè)完善的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)進(jìn)行支撐。

過去混凝土攪拌站主要使用繼電器控制，其自動(dòng)化程度較低，工作效率不高[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，混凝土攪拌設(shè)備通過技術(shù)融合具備了可控性;通過對(duì)混凝土攪拌設(shè)備的控制可實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)的自動(dòng)化。如，通過可編程邏輯控制器（PLC， Programmable Logic Controller）與組態(tài)軟件相結(jié)合，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)的自動(dòng)化控制，因此在技術(shù)上設(shè)計(jì)一個(gè)混凝土攪拌系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟。另外，隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)實(shí)施建設(shè)轉(zhuǎn)向以高速鐵路、軌道交通等新基建項(xiàng)目為主的現(xiàn)狀，也對(duì)混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量和效率提出了更高的要求，研發(fā)出兼具精確度和高效率的攪拌站控制系統(tǒng)以提升混凝土生產(chǎn)的自動(dòng)化水平是迫切需要解決的問題?；谝陨显?，本文利用組態(tài)王設(shè)計(jì)了一種混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)混凝土生產(chǎn)中的配料、輸送、攪拌、卸料等各個(gè)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而提升混凝土生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

1? ? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件作為上位機(jī)，西門子 S7- 200 PLC作為下位機(jī)[3]，模擬混凝土的生產(chǎn)過程。通過設(shè)計(jì)的組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)中每個(gè)步驟的協(xié)調(diào)控制，并能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC和組態(tài)王兩者的結(jié)合可以對(duì)混凝土生產(chǎn)的整個(gè)流程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析匯總，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中不合理的地方并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

該控制系統(tǒng)將組態(tài)王作為人機(jī)接口，操作人員利用組態(tài)王發(fā)出控制信號(hào)，通過RS232串口將控制信息傳送到PLC中，PLC通過控制相應(yīng)的繼電器，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的命令。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2? ?混凝土攪拌站生產(chǎn)流程

混凝土是將沙料、石料、水以及添加劑按照比例混合而成的一種混合物，它廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁等各種工程當(dāng)中[4-5]?；炷翑嚢枵揪褪请S著工程對(duì)混凝土質(zhì)量要求不斷升高的條件下而催生出的一種專業(yè)生產(chǎn)混凝土的場(chǎng)所，具體生產(chǎn)流程如圖2所示。

2? ? ?系統(tǒng)控制

混凝土攪拌站大體上可以分為以下幾個(gè)部分：料斗設(shè)備、攪拌設(shè)備、稱量設(shè)備、傳送設(shè)備以及其它一些相關(guān)的輔助設(shè)備。結(jié)合實(shí)際工作情況將系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式。

（1）手動(dòng)模式下，操作人員可以手動(dòng)控制各個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)或者停止，實(shí)現(xiàn)配料、傳送、攪拌、卸料等相應(yīng)的功能。

（2）自動(dòng)模式下，按照生產(chǎn)所需要的混凝土標(biāo)號(hào)，設(shè)置好配方，按下開始按鈕，整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行，直至完成整個(gè)生產(chǎn)流程。

2.1? ?傳送控制

在本次設(shè)計(jì)中輸送設(shè)備主要有水泵、螺旋輸送機(jī)以及傳送帶，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該合理選用輸送骨料所用的電動(dòng)機(jī)，避免物料過多，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足的情況發(fā)生。同時(shí)使用變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行速度，使電機(jī)的運(yùn)行速度可以在高速與低速之間反復(fù)切換，以提高配料的速度和精度。

此外傳送帶的動(dòng)作設(shè)定還應(yīng)注意以下問題：為了避免傳送帶在沙料和石料往傳送帶上卸料時(shí)，物料在傳送帶堆積過多，要讓傳送帶在儲(chǔ)料斗下方閘門打開前一分鐘開始運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行的過程中為了避免稱重好的物料遺漏在傳送帶上，應(yīng)讓傳送帶電機(jī)多運(yùn)行一段時(shí)間，避免物料遺漏過多影響配料的精確度，進(jìn)而影響混凝土的質(zhì)量。

2.2? ?儲(chǔ)料斗卸料控制

儲(chǔ)料斗卸料的控制過程為：骨料通過螺旋輸料機(jī)輸送到儲(chǔ)料斗內(nèi)，在儲(chǔ)料斗下方閘門處設(shè)置重量傳感器，骨料的卸料主要是通過儲(chǔ)料斗下方閘門實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)啟動(dòng)卸料的條件：其一是通過測(cè)量?jī)?chǔ)料斗內(nèi)部物料的實(shí)時(shí)重量，將它和配方所需要的物料重量相減，計(jì)算的重量差等于零時(shí)，閘門打開，儲(chǔ)料斗開始卸料，其二是手動(dòng)卸料，通過按下卸料按鈕，系統(tǒng)執(zhí)行卸料操作。

2.3? ?攪拌機(jī)升降控制

在實(shí)際生產(chǎn)中，攪拌機(jī)在高處攪拌物料，在準(zhǔn)備卸料時(shí)，攪拌機(jī)需要先下降，卸料完成后上升。具體的操作是：在攪拌機(jī)上升以及下降的極限位設(shè)計(jì)限位開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)將信號(hào)傳遞給控制攪拌機(jī)升降的電機(jī)，進(jìn)而控制電機(jī)的啟動(dòng)或者停止。攪拌機(jī)的升降主要由電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，為了避免電機(jī)的正反轉(zhuǎn)出現(xiàn)干擾，對(duì)電機(jī)采用互鎖的控制方式。

3? ? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? ?通信和變量建立

3.1.1? ?通信建立

打開PLC編程軟件，在頁(yè)面左側(cè)找到“系統(tǒng)塊”，點(diǎn)擊“系統(tǒng)塊”找到“通訊端口”，設(shè)定端口的數(shù)值。

打開組態(tài)王工程瀏覽器，在頁(yè)面左側(cè)尋找“設(shè)備”，接著在設(shè)備目錄下找到“COM2”，雙擊COM2，進(jìn)行通信設(shè)定，設(shè)定數(shù)值時(shí)必須要與PLC中的設(shè)定保持一致[6]。具體設(shè)置的數(shù)值如圖3所示。

3.1.2? ?構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王的重要組成部分，數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的集合稱為數(shù)據(jù)詞典[7]。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)詞典，實(shí)現(xiàn)組態(tài)王用戶可將自己所構(gòu)建的組態(tài)模型進(jìn)行仿真測(cè)試，也可以實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊連接。在按照實(shí)際需求定義變量時(shí)，要注意變量的類型以及數(shù)據(jù)類型，避免因數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤影響組態(tài)的正常運(yùn)行。如圖4是攪拌機(jī)設(shè)定。

3.2? ?組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

3.2.1? ?構(gòu)建組態(tài)畫面

組態(tài)畫面包括主畫面、配料監(jiān)控畫面、卸料監(jiān)控畫面、配方設(shè)定畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)曲線畫面、歷史曲線畫面。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者緊急停止時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)通過報(bào)警的形式顯示在組態(tài)的報(bào)警界面中，使工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并對(duì)故障進(jìn)行維修。在設(shè)計(jì)時(shí)，畫面右側(cè)設(shè)置了畫面標(biāo)注，方便切換畫面。

（1）主畫面

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，在利用組態(tài)王仿真畫面時(shí)，添加了運(yùn)行指示燈，顯示各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在主畫面中設(shè)置一組鈴，用于提醒操作人員。同時(shí)在構(gòu)建畫面時(shí)設(shè)立緊急停止按鈕，進(jìn)而可以使整個(gè)系統(tǒng)在故障時(shí)能夠以最快的速度暫停運(yùn)行，進(jìn)而避免重大事故的發(fā)生，從而使系統(tǒng)有更好的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的主畫面如圖5所示。

（2）配料監(jiān)控畫面

本次設(shè)計(jì)中，計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)采用獨(dú)立計(jì)量的方式，即為每一種物料配備單獨(dú)的計(jì)量單元。監(jiān)控畫面包括：骨料稱重監(jiān)控、粉料稱重監(jiān)控和水量計(jì)量監(jiān)控三部分。

① 骨料稱重監(jiān)控

在構(gòu)建組態(tài)畫面時(shí)，為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計(jì)時(shí)在儲(chǔ)料斗右側(cè)添加了顯示條，便于觀察料斗內(nèi)部物料的多少，避免骨料過多流出儲(chǔ)料斗，同時(shí)為了監(jiān)測(cè)物料的實(shí)時(shí)重量，畫面中加入了如圖5所示的重量顯示屏，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料重量。

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，漏天存放的砂料以及石料經(jīng)螺旋輸料機(jī)輸送到各自的儲(chǔ)料斗內(nèi)稱量物料重量，待稱重結(jié)束之后，儲(chǔ)料斗下方閘門打開，儲(chǔ)料斗卸料，物料經(jīng)儲(chǔ)料斗下方傳送至攪拌機(jī)內(nèi)。

② 粉料稱重監(jiān)控

在稱量粉料重量的時(shí)候，粉料由鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)經(jīng)螺旋輸料機(jī)輸送到臨時(shí)稱量的儲(chǔ)料斗內(nèi)，開始計(jì)量物料的重量，計(jì)量完成，系統(tǒng)給出反饋信號(hào)，經(jīng)CPU處理后給出啟動(dòng)氣動(dòng)蝶閥信號(hào)，儲(chǔ)料斗下方氣動(dòng)閥門打開，儲(chǔ)料斗內(nèi)的粉料流入攪拌機(jī)。

③ 水量計(jì)量監(jiān)控

水泵在控制系統(tǒng)的控制下，將水從水池中泵出，經(jīng)過流量計(jì)計(jì)量水量后經(jīng)水管流入攪拌機(jī)內(nèi)，當(dāng)傳感器計(jì)量到預(yù)設(shè)值時(shí)，水泵停止，電磁閥關(guān)閉，避免計(jì)量好的水回流，影響混凝土的塌落度。

（3）卸料監(jiān)控

攪拌機(jī)攪拌到達(dá)預(yù)定的時(shí)間后，物料攪拌完成，系統(tǒng)給出控制信號(hào)，攪拌機(jī)開始下降，攪拌機(jī)下降到最低位置時(shí)，觸碰到下方的限位開關(guān)，此時(shí)反饋信號(hào)傳遞到CPU，CPU給出控制信號(hào)，控制攪拌升降電機(jī)停止，此時(shí)攪拌機(jī)開始卸料，卸料完成后系統(tǒng)給出反饋信號(hào)，攪拌機(jī)上升，當(dāng)達(dá)到上限位時(shí)停止，準(zhǔn)備下一次生產(chǎn)。

（4）報(bào)警畫面

在報(bào)警畫面里記錄著報(bào)警具體時(shí)間以及報(bào)警的變量，制作該畫面能讓運(yùn)行人員及時(shí)收集到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)變量的運(yùn)行數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的值偏差較大，超出預(yù)先設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)，方便運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，準(zhǔn)確快速的找到故障原因，方便維修。歷史報(bào)警畫面如圖6所示：

（5）曲線畫面

曲線畫面主要包括實(shí)時(shí)曲線畫面和歷史曲線畫面。實(shí)時(shí)計(jì)量曲線畫面，主要顯示混凝土各種原料重量的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì);歷史計(jì)量曲線畫面，主要顯示混凝土的各種原材料重量在整個(gè)生產(chǎn)過程中的變化趨勢(shì)。為了區(qū)分曲線的類型，在構(gòu)建曲線畫面時(shí)，在曲線右側(cè)標(biāo)注曲線所對(duì)應(yīng)的變量，同時(shí)不同的曲線使用不同的顏色，方便操作人員區(qū)分。

構(gòu)建好組態(tài)畫面之后，對(duì)各個(gè)模塊設(shè)置動(dòng)畫連接并編寫命令語(yǔ)言，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)畫面運(yùn)行。編寫的部分命令語(yǔ)言如圖7所示。

4? ? ?系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試

將PLC與組態(tài)王通過RS232通訊串口連接起來，將梯形圖程序下載到PLC中，打開“混凝土攪拌站控制系統(tǒng)”主畫面，具體實(shí)現(xiàn)功能運(yùn)行如下：

攪拌站按照事先定好的配方開始生產(chǎn)混凝土?xí)r，將生產(chǎn)所需要的水、水泥、添加劑輸送到攪拌機(jī)中，攪拌機(jī)開始攪拌，使生產(chǎn)混凝土的原材料均勻混合在一起，在攪拌機(jī)的另外一邊，黃沙和石子由運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)送到對(duì)應(yīng)的料斗內(nèi)，由料斗下部的稱重傳感器監(jiān)視物料的重量，稱重沙石重量時(shí)，控制系統(tǒng)用分別控制兩個(gè)輸送機(jī)構(gòu)輸送物料，并利用變頻器控制傳送物料速度的快慢，從而減低計(jì)量時(shí)間和提高稱重的準(zhǔn)確度。待其達(dá)到規(guī)定好的重量后，對(duì)應(yīng)料斗的閥門開啟，石子和黃沙將會(huì)一起卸到傳送帶上，通過傳送帶將種原材料輸送到攪拌機(jī)里，從一開始，攪拌機(jī)就處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。攪拌到達(dá)規(guī)定的時(shí)間后，將混凝土卸到事先準(zhǔn)備好的運(yùn)輸設(shè)備中，適當(dāng)增加卸料的時(shí)間，確保盡可能的卸完攪拌好的混凝土，卸料完成后，一次循環(huán)結(jié)束，準(zhǔn)備開始下一次生產(chǎn)。

5? ? ?結(jié)語(yǔ)

本文基于組態(tài)王設(shè)計(jì)了一個(gè)混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，并且利用組態(tài)王建立了仿真工程，將混凝土的生產(chǎn)過程以圖形化的界面進(jìn)行展現(xiàn)和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)通過組態(tài)王的人機(jī)接口，代替了過去復(fù)雜的儀表以及操作按鈕，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。系統(tǒng)通過主監(jiān)控畫面可以清楚了解各部件的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確觀察現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作流程。另外，曲線畫面以數(shù)形結(jié)合的方式進(jìn)行展現(xiàn)，可直觀的監(jiān)控各種物料的變化趨勢(shì)。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過報(bào)警界面查看故障原因，并及時(shí)進(jìn)行維修處理。同時(shí)該系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，彈性修改配方，進(jìn)行配方參數(shù)設(shè)置，有效地解決了人工操作效率低，配料精度低等問題，同時(shí)還提高了生產(chǎn)過程的可靠性和高效性。通過該控制系統(tǒng)，操作人員還可以利用組態(tài)王提供的數(shù)據(jù)信息做到邊生產(chǎn)、邊調(diào)整，提高了生產(chǎn)效率，經(jīng)實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率低，人機(jī)界面友好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]? 喬艷紅.基于BIM的高層建筑混凝土用量精細(xì)控制研究[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，15（6）：71-74.

[2]? 劉一耀，譚竹林.大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].建筑機(jī)械化，2018（7）：15-18.

[3] 谷成銀.基于PLC技術(shù)的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)設(shè)備工程，2020（2）：227-228.

[4] 李德英，陳剛.基于PLC與觸摸屏的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2018，33（11）：39-42.

[5] 吳珊，肖琪聃，徐俊珂. 透水混凝土的制備研究[J]. 廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，18（1）：83-84.

[6] 姜重然，霍艷忠，白金泉.工控軟件組態(tài)王簡(jiǎn)明教程[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[7] 陳海建.基于軟PLC的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].建筑機(jī)械化，2018（12）： 28-30.